[发明专利]具有驱动轴和驱动曲柄的驱动装置

说明书

技术领域

本发明属于机械制造及测量技术领域，其尤其可应用于自行车、测功计和电动自行车。

背景技术

我们可以想到各种各样的具有能够直接通过一个或多个驱动曲柄驱动的驱动轴的机械设备。在这些应用中，自行车扮演着特别重要的角色，在自行车中，驱动功率通常由一个前端的驱动轴通过齿轮圈和链条传递至驱动轮的轴上。

其中，前端的驱动轴通常由人的腿力通过踏板经由驱动曲柄，即所谓的脚踏曲柄驱动。

在此，两根驱动曲柄通常相对于驱动轴的转轴呈180度相互错开，从而使驱动力总能通过其中一根驱动曲柄而得以循环交替地传递。

附加地，在较高功率范围内，自行车骑乘者的脚借助于固定装置与驱动曲柄或者说踏板连接，从而使驱动曲柄在其整个旋转过程中尽可能地受力。

人们在很早以前就知道借助于不同的装置测量轮子的转速，并至少间接地测量驱动轴的转速，以便确定自行车的速度或者例如测功计的转速。

而功率和/或作用在驱动轴上的转矩的测量就要困难许多。为此必须对力和/或扭矩进行测量，而这基本上是很复杂的。

现有技术中公开了各种各样的方法和装置来用于确定扭力，特别是自行车车轮扭力的不同方法和装置在现有技术中是公知的。

DE 102005023182 A1展示了一种转矩测量装置，其具有用于在马达输出元件和转矩转换驱动元件之间传递转矩的转矩传递板，其中，传递板通过适当地减小厚度而能够随转矩发生轻微的弹性变形，并且在传递板的可变形接片上设置有用于检测弹性形变的伸缩测试条。关于此伸缩测试条的功能在该专利文件中未作进一步解释。

DE 102005041287 A1展示了一种具有两个分轴的转矩传感器，其中，每一分轴均与一个所谓的探测管相连，该探测管彼此同轴放置。探测管以彼此间隔开的位置固定地连接在分轴上，其具有环状地分布在端面上的齿，从而在轴部件的旋转出现强弱变化时，探测管之间的磁阻就会根据轮齿的一致性而呈周期性地变化。由此，分轴的旋转能够相互检定。这是用于起作用扭力的标准。

DE 102005006769 A1展示了通常被作为磁致伸缩逆效应的所谓维拉里效应，通过该效应，例如由于轴的扭矩而导致的变形会产生轴的磁效应。铁、铜、镍或这些材料的合金都是显示有维拉里效应的材料。

DE 10044701 C1提出了一种安装在自行车踏板上的传递装置，踏板作用力经由该传递装置传递至脚踏曲柄上。由于力的传递，弹簧状元件被压缩，该力效应被测量，从而确定出传递的转矩。

应用磁致伸缩元件以测量扭矩通过DE 69900898 T2而为人所知，在这里，通过磁性材料，扭矩应该可被转换成电压。

发明内容

在这种背景下，本发明的目的在于，在一种具有可围绕轴线旋转的驱动轴以及与该驱动轴相对于其轴线保持角度不变地连接的两个驱动曲柄的用于机器的驱动装置中寻找一种尽可能结构简单、成本合理的方案，从而确定作用在驱动轴上的转矩。

根据本发明，上述目的利用至少一个与其中一个驱动曲柄固定连接的磁致伸缩体以及用于测量该磁致伸缩体的磁散逸场的磁场传感器来实现。

转矩通过驱动曲柄的驱动而在周向上被传递到驱动轴上。驱动曲柄自身在此需要弯曲，其借助于例如与曲柄星盘之间的螺栓连接或者其他接合技术与驱动轴保持角度不变地连接。

驱动曲柄原则上对于测量或者传感器的置入都特别方便。驱动曲柄的弯曲负荷在已知抗弯刚性的情况下可通过当前的弯曲变形来确定。根据本发明，弯曲变形由与驱动曲柄固定连接的磁致伸缩体分担，该磁致伸缩体与驱动曲柄一样地也发生变形。

磁致伸缩体，即通常的永磁体具有这样的特性，其磁力特性会随变形而改变。特别地，在这种磁致伸缩体中可引入永磁场，只要磁体形状保持不变，该永磁场将是稳定并且恒定的。例如其可以这样构成，即磁力线在磁体内部闭合，从而将向外穿透的磁散逸场降低到最小程度。

一旦磁体发生变形，就能探测到形成在磁体外部的磁散逸场。该磁散逸场可按照修正值，必要时也可根据出现的例如地磁场的干扰场进行求值，由此就可确定磁致伸缩体的变形，并随之确定驱动曲柄的变形以及作用在驱动曲柄上而导致其变形的弯曲力矩。

通常，可通过对驱动曲柄施加预定的弯曲力矩，并对不同数值下所产生的磁散逸场进行测定而对驱动装置进行校准，相应的测量值表可存留而用于求值。

据此，在知道磁致伸缩体与轴之间距离的情况下，通过对驱动曲柄(例如自行车的驱动曲柄)范围内的磁散逸场进行求值，就能够确定当前作用在驱动轴上的转矩。